JP7423509B2 - 絶縁ワイヤ、コイル及び電気・電子機器 - Google Patents
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Description
<1>
平角導体上に、被覆層として熱可塑性樹脂層(A)を有する絶縁ワイヤであって、前記熱可塑性樹脂層(A)の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1つの辺に対応する部分の表面に前記絶縁ワイヤの長手方向に連続した少なくとも1つの突起部を有し、
前記絶縁ワイヤ断面において、前記突起部と該突起部を有する表面の平坦部とが曲率半径0.01~0.75mmの曲部を形成し、
前記絶縁ワイヤ断面において、前記突起部の側面が、該突起部を有する表面の平坦部に対して90°未満の傾斜面を有していることを特徴とする絶縁ワイヤ。
<2>
前記突起部の側面が、前記突起部を有する表面の平坦部に対して1~80°の傾斜面を有する<1>に記載の絶縁ワイヤ。
<3>
前記突起部の高さが、30μm以上3000μm以下であることを特徴とする<1>又は<2>に記載の絶縁ワイヤ。
<4>
前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の表面の各々に、前記突起部を1つずつ有することを特徴とする<1>~<3>のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
<5>
前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の表面の各々に、前記突起部を2つずつ有することを特徴とする<1>~<4>いずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の短辺に対応する部分の表面に前記突起部を有する<1>~<5>いずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
<7>
前記平角導体と前記熱可塑性樹脂層(A)との間に絶縁層(B)を有し、該絶縁層(B)が、熱硬化性樹脂からなる<1>~<6>いずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
<8>
前記熱可塑性樹脂層(A)の平坦部の表面粗さRaが0.01μm以上0.5μm以下であることを特徴とする<1>~<7>のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
<9>
前記熱可塑性樹脂層(A)が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレートおよび/または熱可塑性ポリイミドで構成されることを特徴とする<1>~<8>のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
<10>
<1>~<9>のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤが、巻線加工されたことを特徴とするコイル。
<11>
<10>に記載のコイルを用いてなることを特徴とする電気・電子機器。
本発明の絶縁ワイヤは、平角導体上に、被覆層として熱可塑性樹脂層(A)を有する。本発明の絶縁ワイヤは、前記熱可塑性樹脂層(A)の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1つの辺に対応する部分の表面に、前記絶縁ワイヤの長手方向に連続した少なくとも1つの突起部を有する。本発明の絶縁ワイヤは、ワイヤ断面において、前記突起部と該突起部を有する表面とが、曲率半径0.01~0.75mmの曲部を有する。本発明の絶縁ワイヤにおいて、前記突起部の側面は、該突起部を有する表面の平坦部に対して90°未満の傾斜面を有している。傾斜面は、突起部の中心に向けて傾斜している。前記絶縁ワイヤ断面は、長手方向に対して垂直な断面である。
本発明の絶縁ワイヤ10は、平角導体1上に、被覆層として熱可塑性樹脂層2を有する。本発明の絶縁ワイヤ10は、絶縁ワイヤ断面の対向する2つの長辺に対応する部分の表面が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した2つの突起部を有する。これらの突起部は、該突起部を有する表面の平坦部に対して、90°未満の傾斜面5を有している。本発明の絶縁ワイヤ10は、絶縁ワイヤ断面の対向する2つの短辺に対応する部分の表面が、各々、絶縁ワイヤの長手方向に連続した1つの突起部を有する。これらの突起部は、該突起部を有する表面の平坦部に対して、90°未満の傾斜面5を有している。本発明の絶縁ワイヤ10はその断面において、前記突起部と該突起部を有する表面の平坦部との境界が、曲率半径0.01~0.75mmの曲部4をなす。
図8に示す実施形態の絶縁ワイヤにおいて、平角導体1と絶縁層3との間に、中間層(A2)を有してもよい。また、絶縁層3と熱可塑性樹脂層2との間に、中間層(B1)を有してもよい。図2~4及び8に示す実施形態の絶縁ワイヤも同様である。
中間層(A1)、(A2)ないし(B1)は図示を省略する。
また、これらの各層は、1層であっても2層以上の複数層からなっていてもよい。
以下、平角導体から順に説明する。
本発明の絶縁ワイヤに用いる平角導体としては、通常の絶縁ワイヤで用いられているものを使用することができ、銅線、アルミニウム線などの金属導体が挙げられる。好ましくは、銅線であり、より好ましくは、酸素含有量が30ppm以下の低酸素銅、さらに好ましくは20ppm以下の低酸素銅または無酸素銅の導体である。酸素含有量が30ppm以下であれば、導体を溶接するために熱で溶融させた場合、溶接部分に含有酸素に起因するボイドの発生がなく、溶接部分の電気抵抗が悪化することを防止するとともに溶接部分の強度を保持することができる。
平角導体は、角部からの部分放電を抑制するという点において、図1~8に示すように4隅に面取り(曲率半径r)を設けた形状であることが好ましい。曲率半径rは、0.6mm以下が好ましく、0.2~0.4mmの範囲がより好ましい。
平角導体の断面の大きさは、特に限定されないが、幅(長辺)は1.0~5.0mmが好ましく、1.4~4.0mmがより好ましく、厚み(短辺)は0.4~3.0mmが好ましく、0.5~2.5mmがより好ましい。幅(長辺)と厚み(短辺)の長さの割合は、1:1~4:1が好ましい。なお、本発明の絶縁ワイヤで使用する平角導体の断面は、幅と厚みが同じ長さ、すなわち、略正方形であってもよい。導体の断面が略正方形の場合、長辺は導体の断面の1つの対向する2つの辺の各々を意味し、短辺は別の対向する2つの辺の各々を意味する。
本発明の絶縁ワイヤは、熱可塑性の樹脂からなる熱可塑性樹脂層(A)を有する。
本発明の絶縁ワイヤは、平角導体上に直接、熱可塑性樹脂層(A)を有してもよく、中間層(A1)、絶縁層(B)及び/または中間層(B)を介して、押出被覆樹脂層として、熱可塑性樹脂層(A)を有してもよい。なお、中間層(A)及び(B)は、絶縁層(B)と同様にして形成することができる。絶縁層(B)の形成方法は後述する。
押出被覆樹脂層を設けることにより、部分放電発生電圧の高い絶縁ワイヤを得ることができる。
押出被覆法の利点は、製造工程で焼付け炉を通す必要がないため、平角導体の酸化皮膜層の厚さを成長させることなく熱可塑性樹脂層(A)の厚さを厚くすることができるということである。
このような熱可塑性樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、熱可塑性ポリアミド(TPA)、熱可塑性ポリエステル(TPE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、熱可塑性ポリイミド(TPI)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、変性ポリエーテルエーテルケトン(変性PEEK)等が挙げられる。
なかでも、押出被覆樹脂層に用いる樹脂は、部分放電発生電圧を低くし、かつ耐溶剤性を考慮すると結晶性樹脂を用いることがさらに好ましい。
特に本発明の絶縁ワイヤは、コイル加工時に皮膜が損傷しにくいことが求められるため、結晶性で特に弾性率が高い変性PEEK、PEEK、PPSを用いることが好ましい。
2種の熱可塑性樹脂を混合して使用する場合は、例えば両者をポリマーアロイ化して相溶型の均一な混合物として使用するか、非相溶系のブレンドを、相溶化剤を用いて相溶状態を形成して使用することができる。
本発明の絶縁ワイヤでは、前記押出被覆樹脂層の厚さは、50~250μmがより好ましく、60~200μmがさらに好ましい。
なお、本発明の説明において、表面粗さRaは、(株)東京精密製の接触式表面粗さ計サーフコムフレックス-50Aもしくは(株)キーエンス製の非接触式レーザー顕微鏡VK-X(いずれも商品名)によりJIS B 0601:2013に従って、下記測定条件で求めた値とする。
Raを測定する長さ(測定長さ)についてはJIS B 0633:2001に記載されている評価長さの標準値にて測定を実施する。表面形状を正しく測定するために、必要に応じて、表面の付着物等はエアーブローにより除去、油等が塗布されている場合にはヘキサン等の有機溶剤を染み込ませたウエスにて軽く洗浄する。測定環境は温度25℃±5℃、湿度50%±10%とする。測定結果に影響するため、試料は皮膜への変形を加えないようにしつつ出来るだけ整直にする。測定は、測定長さ1点あたりのデータをN=1とし、N=10の平均値を使用することとする。
また、1つの辺に複数の突起部を有する場合、各々の突起部で、a/bの値が0.60以上0.90以下であることが特に好ましい。
なお、本発明の絶縁ワイヤにおいて、突起部とは、突起部の両側に膜厚が変曲点を示すもののみに限定されるものでない。例えば、辺の端部に突起部が設けられた場合のように、突起部が形成された辺の端部方向や短辺方向(厚み方向)に変曲点を示さないものをも包含する。また、本発明の絶縁ワイヤにおける突起部は、突起部と各辺の端部あるいは突起部と平坦部が滑らかに接続する。突起部と該突起部を有する辺の平坦部とが、曲率半径0.01~0.75mmの曲部を有する。この突起部は、平坦部から矩形状に突出するものでないことから、突起部と各辺端部の境界や突起部と平坦部の境界に応力集中することがない。ここで、突起部を辺の両端近傍に各々1つずつ有する場合に、突起部と辺の端部の接続は、突起部と辺の端部を、平坦部を介して接続しても、突起部と辺の端部を直接接続しても良い。
また、突起部の最大膜厚もしくは突起部の最大膜厚の平均bは、30μm以上350μm以下が好ましく、40μm以上250μm以下がより好ましく、50μm以上200μm以下がさらに好ましい。また、平均bは、60μm以上3200μm以下が好ましい。
また、突起部の高さ、すなわち、平坦部表面から突起部最大高さ部分までの距離(b-a)は、ギャップ面積を十分に確保して冷却効率を向上させるため、30μm以上3000μm以下が好ましく、50μm以上300μm以下がより好ましい。また、前記距離は、20μm以上300μm以下であることも好ましい。
なお、1つの突起部の底辺を占める割合は、辺の長さをLとした場合、L/2~L/10が好ましい。
本発明の絶縁ワイヤの突起部の配置は、以下の1)~3)が好ましい。
1)熱可塑性樹脂層(A)表面の、絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の各々に、突起部を1つずつ有する(例えば、図4、7)。このように突起部が配置されることにより、コイル加工する際に、絶縁ワイヤをエッジ方向およびフラット方向のどちらに曲げた時にも所望のギャップ面積を効率的に確保することができる。
2)熱可塑性樹脂層(A)表面の、絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の各々に、突起部を2つずつ有する(例えば、図2)。このように突起部が配置されることにより、絶縁ワイヤを積み重ねる場合において、絶縁ワイヤ同士を規定された位置に安定させることができ、モータとして車載されたときの振動に強くなる。
3)熱可塑性樹脂層(A)表面の、絶縁ワイヤ断面の短辺に対応する部分に突起部を有する(例えば、図5)。このように突起部が配置されることにより、スロット内において、絶縁ワイヤとコアの間にスペースができるため、コイルエンド以外でも効果的に冷却することが可能になる。
一方、1つの辺に少なくとも2つの突起部を有する場合は、突起部を辺の両端近傍に各々1つ有することが好ましい。また、1つの突起部を辺の端近傍に有し、他の1つの突起部を辺の中央から該辺の端までの中間点より突起部を有さない側の端までの間に有することが好ましい。また、辺の中央から辺の端までの中間点から辺の両端までの間にそれぞれ1つ有することが好ましい。
1つの辺に少なくとも2つの突起部を有する場合、なかでも、突起部を辺の両端近傍に各々1つ有するか、または辺の中央から辺の端までの中間点から辺の両端までの間に左右それぞれ1つ有することが好ましい。
一方、辺の端近傍とは、辺の末端からL/10の範囲を意味する。本発明においては、突起部の極大点を辺の端近傍に設けるのが好ましい。
本発明の絶縁ワイヤは、平角導体と熱可塑性樹脂層(A)の間に、耐熱性の付与および導体の絶縁性を効果的に確保するため、エナメル焼付け層として、熱硬化性の樹脂からなる絶縁層(B)を少なくとも1層有してもよい。
なお、本発明の絶縁ワイヤにおいて、1層とは、層を構成する樹脂および含有する添加物が全く同じ層を積層した場合は同一層とするものである。同一樹脂で構成されていても添加物の種類や配合量が異なる等、層を構成する組成物が異なる層は、互いに別の層としてカウントする。
これは、エナメル焼付け層以外の他の層においても同様である。
好ましくは耐熱性において優れる、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドヒダントイン変性ポリエステル等のポリイミド系樹脂である。紫外線硬化樹脂などを用いてもよい。
また、これらの熱硬化性樹脂は、1種のみを単独で使用してもよく、また、2種以上を混合して使用してもよい。また、複数層の熱硬化性樹脂層(B)からなる積層エナメル焼付け層の場合、各層で互いに異なった熱硬化性樹脂を用いても、異なった混合比率の熱硬化性樹脂を使用してもよい。
なお、ポリアミドイミド(PAI)は、他の樹脂に比べ熱伝導率が低く、絶縁破壊電圧が高く、焼付け硬化が可能であるという特性を有する。
エナメル焼付け層は1層であっても複数層であってもよい。
本発明の絶縁ワイヤの製造方法は、個々の層で説明した通りである。
図1を参照して記載する。
平角導体1には断面平角(長辺3.2mm×短辺2.4mmで、四隅の面取りの曲率半径r=0.3mm)の導体(酸素含有量15ppmの銅)を用いた。
平角導体1を心線とし、押出機のスクリューは、30mmフルフライト、L/D=20、圧縮比3を用いて、以下の様に押出被覆樹脂層を形成した。
熱可塑性樹脂層2〔押出被覆樹脂層2〕の形成に際しては、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(ソルベイスペシャリティポリマーズ社製、商品名:キータスパイアKT-820、比誘電率3.1)を用いた。押出被覆樹脂層2の断面の外形の形状が図1に示す形状と相似形になるように、押出ダイを用いてPEEKの押出被覆を行い、実施例1の絶縁ワイヤを作製した。
図2を参照して記載する。
平角導体1には断面平角(長辺3.2mm×短辺2.4mmで、四隅の面取りの曲率半径r=0.3mm)の導体(酸素含有量15ppmの銅)を用いた。
熱硬化性樹脂層3〔内側絶縁層3〕の形成に際しては、平角導体1上に形成される熱硬化性樹脂層3の形状と相似形のダイスを使用した。ポリイミド樹脂(PI)ワニス(ユニチカ社製、商品名:Uイミド)を平角導体1へコーティングし、450℃に設定した炉長8mの焼付炉内を、焼き付け時間15秒となる速度で通過させ、これを数回繰り返すことで、熱硬化性樹脂層3を形成し、エナメル線を得た。
押出被覆樹脂層2はポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(ソルベイスペシャリティポリマーズ社製、商品名:キータスパイアKT-820、比誘電率3.1)を用いた。押出被覆樹脂層2の断面の外形の形状が、図2に示す形状と相似形になるように、押出ダイを用いてPEEKの押出被覆を行った。熱硬化性樹脂層3の外側に押出被覆樹脂層2を有する実施例2の絶縁ワイヤを作製した。
表1に示す構成を採用したこと以外は、実施例1または2と同様にして、実施例3~9及び比較例1~4の絶縁ワイヤを作製した。
ギャップ面積はJIS C 3216-2に記載の通りマイクロメータにて寸法を測定し、得られた2つの方向からA辺×B辺にて絶縁ワイヤがコイル成型後にとり得る最大の断面積(図3を参照して説明すると、「1つの短辺に対応する部分の表面の突起部の頂点から、対向する短辺に対応する部分の表面の突起部の頂点までの長さ」に「1つの長辺に対応する部分の表面の突起部の頂点から対向する長辺に対応する部分の表面の突起部の頂点までの長さ」を掛けて算出される面積)を算出した。さらに、樹脂包埋および研磨後の断面マイクロスコープ観察によって絶縁電線の断面積を実測した。(最大の断面積)-(断面積実測値)を冷却用の媒体が通るギャップ面積と定義する。
評価基準を以下に示す。A~Cが合格である。
(評価基準)
A:30mm2以上
B:1mm2以上30mm2未満
C:0.2mm2以上1mm2未満
D:0.2mm2未満
(1)20%事前伸張後エッジワイズ試験
エッジワイズ曲げ試験はJIS C 3216-3に従い実施した。より厳しい環境で使用することを想定し、絶縁ワイヤは、上記作製後の長さを100%として事前に120%になるまで伸張したものを用いた。絶縁ワイヤを、それぞれ切込み(円周方向に幅1.0μm、深さ5μm)部分が中心となるようにΦ1.5mmのSUS製の棒に巻き付けた。熱可塑性樹脂層(A)が裂け、亀裂が導体の面全体に進展した絶縁ワイヤを「C」、熱可塑性樹脂層(A)に亀裂が進展したが、導体までは達しない絶縁ワイヤを「B」、切込み部分も一緒に伸びて切込みが進展していなかった絶縁ワイヤを「A」とし、3段階で評価した。なお、「B」以上が合格レベルである。
フラットワイズ曲げ試験はJIS C 3216-3に従い実施した。より厳しい環境で使用することを想定し、絶縁ワイヤは、上記作製後の長さを100%として事前に120%になるまで伸張したものを用いた。絶縁ワイヤを、それぞれ切込み(円周方向に幅1.0μm、深さ5μm)部分が中心となるようにΦ1.5mmのSUS製の棒に巻き付けた。熱可塑性樹脂層(A)が裂け、亀裂が導体の面全体に進展した絶縁ワイヤを「C」、熱可塑性樹脂層(A)に亀裂が進展したが、導体までは達しない絶縁ワイヤを「B」、切込み部分も一緒に伸びて切込みが進展していなかった絶縁ワイヤを「A」とし、3段階で評価した。なお、「B」以上が合格レベルである。
上述の導体占積率は、[(導体の断面積)/(断面積実測値)]×100(%)として算出した。絶縁電線の断面積および導体の断面積は、上述のギャップ面積の測定と同様に、樹脂包埋および研磨後の断面マイクロスコープ観察によってを実測した。評価基準を以下に示す。
-評価基準-
A:94%を超え100%以下
B:90%を超え94%以下
C:86%を超え90%以下
熱可塑性樹脂層(A)の厚さは、平坦部の厚さである。
「傾斜角度」は、突起部の側面が、前記突起部を有する基準面に対して傾斜角度の傾斜面を有することを意味する。
「連続」とは、突起部が、絶縁ワイヤの長手方向に連続して形成されていることを意味し(図10参照)、「不連続」とは、突起部が、絶縁ワイヤの長手方向に連続して形成されていないことを意味する(図11参照)。
実施例3の熱可塑性樹脂層(A)は、80μmのPPS層及び80μmのPEEK層からなる。
PI:ユニチカ社製、商品名:Uイミド
PAI:日立化成社製、商品名:HI406シリーズ
(熱可塑性樹脂)
PEEK:ソルベイスペシャリティポリマーズ社製、商品名:キータスパイアKT-820、比誘電率3.1
PPS:DIC社製、商品名:FZ-2100
TPI:三井化学社製、商品名:オーラムPL450C
PEN:帝人社製、商品名:テオネックスTN8050SC
これに対して、本発明の絶縁ワイヤ(実施例1~9)はいずれも総合評価が合格であった。
1 平角導体
2 熱可塑性樹脂層(押出被覆樹脂層)
3 熱硬化性樹脂層(絶縁層)
4 曲部
5 傾斜面
Claims (10)
- 平角導体上に、被覆層として熱可塑性樹脂層(A)を有する絶縁ワイヤであって、
前記熱可塑性樹脂層(A)が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレート、及び/又は変性ポリエーテルエーテルケトンであり、
前記熱可塑性樹脂層(A)の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1つの辺に対応する部分の表面に前記絶縁ワイヤの長手方向に連続した少なくとも1つの突起部を有し、
前記絶縁ワイヤ断面において、前記突起部が頂点を1つ有する山形の形状であり、
前記絶縁ワイヤ断面において、前記突起部と該突起部を有する表面の平坦部とが曲率半径0.01~0.75mmの曲部を形成し、
前記絶縁ワイヤ断面において、前記突起部の側面が、該突起部を有する表面の平坦部に対して2~80°の傾斜面を有していることを特徴とする絶縁ワイヤ。 - 前記頂点を1つ有する山形の形状において、該頂点の両側の熱可塑性樹脂層(A)表面の形状が変曲点を有する、請求項1に記載の絶縁ワイヤ。
- 前記突起部の高さが、30μm以上3000μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の絶縁ワイヤ。
- 前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の表面の各々に、前記突起部を1つずつ有することを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
- 前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の少なくとも1対の対向する2辺に対応する部分の表面の各々に、前記突起部を2つずつ有することを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
- 前記熱可塑性樹脂層(A)表面の、前記絶縁ワイヤ断面の短辺に対応する部分の表面に前記突起部を有する請求項1~5のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
- 前記平角導体と前記熱可塑性樹脂層(A)との間に絶縁層(B)を有し、該絶縁層(B)が、熱硬化性樹脂からなる請求項1~6のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
- 前記熱可塑性樹脂層(A)の平坦部の表面粗さRaが0.01μm以上0.5μm以下であることを特徴とする請求項1~7のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤ。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載の絶縁ワイヤが、巻線加工されたことを特徴とするコイル。
- 請求項9に記載のコイルを用いてなることを特徴とする電気・電子機器。
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